Winzige Rechenzentren
[Feature]
Die wundersame Welt der Smartphone-Prozessoren
CPU, GPU, SoC – die komplizierte Welt der Smartphone-Prozessoren steckt voller Abkürzungen und technischer Bezeichnungen. Hinzu kommen verschiedene Hersteller, Architekturen und unterschiedliche Anzahlen von Prozessor-Kernen. inside-handy.de hat das Herzstück jedes Smartphones unter die Lupe genommen und bringt Klarheit in das Dickicht der Prozessor-Systeme.
Alles an einem Platz - SoC
Bei heutigen Smartphone-Prozessoren handelt es sich in der Regel nicht mehr um eine einzelne Prozessoreinheit, sondern um ein ganzes System verschiedener Gerätekomponenten, die auf einem einzelnen Chip gebündelt werden. Diese Ein-Chip-Systeme werden auch SoC genannt, was für System on a Chip steht. Bei kleinen Geräten wie Smartphones oder Tablets sind solche Chips vor allem aus Platzgründen notwendig. Auf einem Smartphone-SoC finden sich neben einem oder mehreren Prozessorkernen, auch CPU (Central Processing Unit) genannt, zumeist ein Grafikprozessor (GPU = Graphics Processing Unit) und Mobilfunkmodule. Zusätzlich können auch WLAN-, GPS- und Bluetooth-Module sowie Systeme zur Steuerung der Multimediafunktionen bereits auf dem Chip integriert sein.
Schematische Darstellung des Snapdragon-S4-SoCs von Qualcomm
Die Architektur
Wenn von SoCs die Rede ist, fällt häufig der Name der Firma ARM. Diese stellt Prozessor-Architekturen her und lizenziert diese. ARM fertigt also selbst keine Chips, sondern vertreibt eher "Baupläne". Produziert werden die Chips dann von Halbleiterfirmen. Bis auf wenige Ausnahmen basieren alle Smartphone-Prozessor-Kerne auf Architekturen oder kompletten Chip-Designs von ARM. Oft stammen diese aus der Cortex-A-Serie.
Eine Alternative zur ARM-Architektur bietet Intel mit seinen Atom- alias Medfield-Prozessoren; diese basieren auf der x86-Architektur. Bisher ist die Anzahl der Smartphones mit Intel-Prozessoren noch verschwindend gering, ein Beispiel wäre das LePhone K800 von Lenovo.
Die Hersteller und ihre SoCs
Nvidia
Mit seinem SoC Tegra 2 läutete Nvidia das Zeitalter der Multi-Kern-Prozessoren für Smartphones ein. Als erstes kommerzielles Smartphone nutzte das LG Optimus Speed den Prozessor, dessen zwei Kerne mit je einem Gigahertz getaktet sind. Von Nvidia kommt auch der erste mobile Quad-Core-Prozessor Tegra 3, welcher beispielsweise im LG Optimus 4X HD oder dem One X von HTC zum Einsatz kommt. Er besitzt neben seinen vier Cortex-A-9-Kernen noch einen weiteren fünften Kern, welcher niedriger getaktet ist und dann in Aktion tritt, wenn nur eine geringe Rechenleistung vonnöten ist, beispielsweise für Prozesse, die im Standby-Modus laufen. Die anderen Kerne schalten sich derweil ab, wodurch Energie gespart wird.
Qualcomm
Die Snapdragon-Prozessor-Reihe von Qualcomm ist unter Smartphones weit verbreitet. Das Design der Prozessor-Kerne ist von Qualcomm selbst entwickelt, greift jedoch auf die Architektur von ARM zurück. Einzelne Modelle der aktuellen Snapdragon-S4-Serie sind bereits mit einem LTE-Modul ausgestattet. Ein solcher Prozessor sitzt beispielsweise in HTCs LTE-Smartphone One XL. Der Snapdragon S4 soll auch in den zukünftigen Windows-Phone-8-Smartphones zum Einsatz kommen. Die aktuellen Snapdragon-S4-Chips verfügen über maximal zwei Kerne und eine Taktrate von bis zu 1,7 Gigahertz.
Texas Intruments (TI)
Die mobilen Prozessoren von TI tragen die Bezeichnung OMAP (Open Multimedia Applications Platform) und basieren auf Prozessor-Kernen der Cortex-A-Serie. Sie besitzen derzeit maximal zwei Kerne, die mit bis zu 1,8 Gigahertz getaktet sind. Ein TI-OMAP-Prozessor steckt beispielsweise im Samsung Galaxy Nexus. Für Anfang 2013 hat TI bereits die OMAP-5-Serie angekündigt, die Taktgeschwindigkeiten von bis zu zwei Gigahertz liefern soll.
Samsung
Die Südkoreaner bestücken ihre Smartphones und Tablets zum Teil mit den hauseigenen Exynos-Prozessoren. Die neueste Version Exynos 4 Quad verrichtet ihre Arbeit beispielsweise im Samsung-Flaggschiff Galaxy S3 und beinhaltet vier Cortex-A-9-Kerne.
Apple
Auch Apple zeichnet für die SoCs seiner iPhones und iPads selbst verantwortlich. Grundlage ist auch hier das Chip-Design von ARM. So setzt sich das Apple SoC A5 unter anderem aus zwei Cortex-A-9-Kernen zusammen. Zusammengebaut wurden die Chips lange Zeit vom Konkurrenten Samsung. Zukünftig könnte dies der taiwanische Auftragsfertiger TSMC übernehmen.
Höher, schneller, weiter
Anfang 2011 hielten auf dem Mobile World Congress in Barcelona die ersten Smartphones mit Dual-Core-Prozessoren Einzug. Ein Jahr später verdoppelte sich die Anzahl der Kerne erneut, so dass mittlerweile in einigen Spitzenmodellen wie dem Samsung Galaxy S3, dem HTC One X oder dem LG Optimus 4X HD Quad-Core-Prozessoren ihre Arbeit verrichten.
Doch bedeuten mehr Prozessor-Kerne nicht automatisch eine bessere Performance des Smartphones. Natürlich sind Quad-Core-Prozessoren im Prinzip potenter als Prozessoren, die über weniger Kerne verfügen. Die einzelnen Rechenaufgaben können auf verschiedene Kerne verteilt werden, wodurch Zeit gespart wird. Wie sich dies auf das Nutzererlebnis auswirkt, kommt jedoch vor allem auf das Zusammenspiel von Hardware und Software an.
So laufen Geräte mit Windows Phone als Betriebssystem in der Regel sehr flüssig, obwohl sie nur mit einem einzelnen Prozessor-Kern ausgestattet sind, und auch Apples iPhone 4S liefert eine gute Leistung ab, obwohl sein Prozessor mit zwei Kernen und einer Taktung von 800 Megahertz gegenüber der Android-Multi-Core-Konkurrenz auf dem Papier eher schwach wirkt. HTCs Quad-Core-Smartphone One X hatte hingegen zu seinem Verkaufsstart mit Performance-Problemen zu kämpfen, die mittlerweile per Softwareupdate behoben wurden.
Der Grund für diese Diskrepanz liegt unter anderem in den Vorgaben, welche die Hersteller der Betriebssysteme den Geräteproduzenten machen. Während Microsoft den Herstellern von Windows-Phone-Geräten strikte Vorgaben zur Hardware macht und bei Apple Hard- und Software aus dem gleichen Hause kommen, ist das Android-Betriebssystem für unzählige Smartphone-Modelle mit unterschiedlichsten Spezifikationen verfügbar. Dementsprechend muss das System von jedem Hersteller an jedes Modell angepasst werden.
Ausblick
Dass sich die Zahl der Prozessorkerne in Smartphones im kommenden Jahr abermals verdoppelt, erscheint unwahrscheinlich. Der Trend unter den mobilen Prozessoren geht eher hin zu weiterentwickelten Fertigungsprozessen. So arbeitet man daran, die Strukturbreite der Prozessoren weiter zu verkleinern, um energieeffizienter und gleichzeitig leistungsfähiger zu werden.
vom 17.08.2012